JP5626981B2 - 遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造 - Google Patents

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本発明は、インペラの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機に関し、より詳しくは、インペラ背面にバッファガスを供給して異物の付着を防止する遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造に関するものである。
インペラ背面の空間での気体の速度は、図3(b)に示す如く、インペラの回転に伴い、半径rにおけるインペラの表面速度rωの半分弱の速度となる。そして、インペラ背面の空間での流れは、円周方向速度分布u=Krωで表される円周方向の流れが主流となる。この主流の速度分布によりインペラ背面にはインペラ外周側が高く内周側が低い圧力分布ができる。ここで、図3は遠心圧縮機インペラ背面の流れ状態を示す模式図であり、図(a)は半径方向速度分布、図(b)は円周方向速度分布を示す。また、K:定数(=0.4〜0.5),r:半径,ω:回転角速度を示す。
一方、インペラ背面及び静止側ケーシング内表面には、流体の粘性の影響により、主流に比べてインペラ背面で速度の速い、また静止側ケーシング内表面で速度の遅い境界層ができる。そのため、静止側ケーシング内表面近傍の境界層内では、周方向速度の減少による遠心力の減少により、図3に示す如く、圧力の高い外周側から圧力の低い内周側へ向かう流れが生じ、インペラ背面近傍の境界層では、逆に周方向速度の増加に伴う遠心力の増加により、内周側から外周側へ向かう流れが存在する。図3中の破線は、インペラ背面における半径方向速度分布の境界層領域を示したものである。
ところで、ポリエチレンやポリプロピレン等の石油化学製品の製造に用いられるリサイクルガス圧縮機においては、取り扱いガス中に多量の微粉末が混入している。そして、この様な微粉末が、取り扱いガスの主流からインペラ背面に侵入すると、前記静止側ケーシング内表面近傍の境界層内の内向き流れに沿って内周側に同伴され、流れが滞留している低速域に入り込むと停滞し、インペラ背面もしくはラビリンス等の軸シール部及び軸受等の静止側ケーシングの部品に付着、堆積して、それらの機能に障害を与えることになる。そのため、例えば、インペラ背面の軸シール等に機内圧より僅かに高圧に保持された窒素等の不活性ガスをバッファガスとして供給して、前記軸シール部に微粉末が侵入するのを防止している。
しかしながら、取り扱いガス中の前記微粉末は非常に細かい粉末であるため、ラビリンス部やシールフィン部の僅かな隙間でも浸入して来る。この様な微粉末がインペラに付着すると、アンバランスによる振動の問題が生じる。また、ラビリンスフィンへの詰まりによるガス漏洩量の増加という問題、更には軸シール部の焼付き等の問題が生じる。
この様な問題点に対し、従来例に係る羽根車の異物付着防止方法及び装置につき、図4を参照しながら説明する。図4はこの様な従来例の一形態に係る異物付着防止方手段を施した羽根車の断面図である。
図4において、この従来例に係る羽根車の異物付着防止方法及び装置は、遠心圧縮機の羽根車主板21の背面に、バッファガスを供給するバッファガス供給ライン24と、前記羽根車主板21の背面上に配設した補助動翼22と、この補助動翼22によりブーストアップされたバッファガスの流れを生じさせて、これがシールフィン26による区画を超えて作動ガスの本流中に流出させる流出部とを設けたものである(特許文献1参照)。
ところが、上記従来例に係る羽根車の異物付着防止方法及び装置を、図5に示す従来のインペラ背面31bの構造に適用したとしても、インペラ背面31bの形状に凹凸が多く、かつインペラ背面31bとこの背面31bに相対する静止側ケーシング33とで形成された流路34の幅が比較的広いため、流れに乱れや渦Eを生じ易く、バッファガスをラビリンス部37等の軸シール部に供給したとしても、低速域や滞留域ができ易かった。
更に、上記従来例に係る異物付着防止方法及び装置によれば、補助動翼22の追加により、重量が増加しロータの振動特性が悪化する上、運転中の遠心力が増大して、羽根車に発生する応力が高くなる。また、バッファガスをブーストアップするために、余分な動力が必要となる等の問題点を有する。
特開平10−26005号公報
従って、本発明の目的は、ロータの重量を増加させて振動特性や遠心力を増大したり、余分な動力を必要とせずに、確実かつ安価にインペラ背面に微粉末等の異物の侵入及び付着を防止可能な遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造が採用した手段は、遠心圧縮機のインペラ背面にバッファガスを供給して、微粉末等の異物の付着を防止する遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造において、前記インペラ背面が滑面に整形されると共に、前記インペラ背面と当該インペラ背面に相対する静止側ケーシングの相対面との間に、前記インペラ外周からこのインペラ半径の少なくとも1/2以上の半径まで、前記インペラ背面に沿って略一定寸法の隙間が形成されており、前記インペラ背面と相対する、前記静止側ケーシングの軸シール部近傍相対面に、軸シール部近傍のバッファガス流路を整形するアダプターが設けられてなることを特徴とするものである。
本発明の請求項2に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造が採用した手段は、請求項1に記載の遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造において、前記インペラ外周と前記静止側ケーシングとの隙間が1〜4mmの範囲に形成されてなることを特徴とするものである。
本発明の請求項1に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造によれば、遠心圧縮機のインペラ背面にバッファガスを供給して、微粉末等の異物の付着を防止する遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造において、前記インペラ背面が滑面に整形されると共に、前記インペラ背面と当該インペラ背面に相対する静止側ケーシングの相対面との間に、前記インペラ外周からこのインペラ半径の少なくとも1/2以上の半径まで、前記インペラ背面に沿って略一定寸法の隙間が形成されており、前記インペラ背面と相対する、前記静止側ケーシングの軸シール部近傍相対面に、軸シール部近傍のバッファガス流路を整形するアダプターが設けられてなるので、インペラ背面においてバッファガスの流れをスムーズな層流とすると共に平均流速を増大させ得る結果、インペラ背面に微粉末等の異物が滞留或いは堆積することを解消して、取り扱いガス中に同伴されインペラ背面に侵入した前記異物がインペラ背面等に付着するのを防止でき、更に、インペラ背面全域に亘って低流速域が無くなり、異物付着の可能性がより一層少なくなる。
また、本発明の請求項2に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造によれば、前記インペラ外周と前記静止側ケーシングとの隙間が1〜4mmの範囲に形成されてなるので、インペラ外周部でのバッファガスによる平均流速を増加して、取り扱いガス中の微粒子等異物のインペラ背面への侵入を低減すると共に、一旦、インペラ背面に侵入した前記異物の取り扱いガス主流への再排出を容易にする。
本発明の関連技術に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を示す縦断面図である。 遠心圧縮機インペラ背面の流れ状態を示す模式図であり、図(a)は半径方向速度分布、図(b)は円周方向速度分布を示す。 従来例の一形態に係る異物付着防止方手段を施した羽根車の断面図である。 従来の遠心圧縮機インペラ背面構造の一例を示す縦断面図である。
本発明の関連技術に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を、添付図1を参照しながら以下説明する。図1は本発明の関連技術に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を示す縦断面図である。
遠心圧縮機の回転軸6の先端方向から吸込まれた取り扱いガスは、インペラ1の回転に従って、このインペラ表面1aと静止側ケーシング2との間に形成された気体流路5内を、白抜矢印で示す様に圧縮機の回転軸6から遠ざかりながら、旋回流を形成して加速され、インペラ1の外周方向に放出される。
そして、前記インペラ背面1bには、後述するバッファガスの流れに沿う様に湾曲した滑面(凹凸の少ない、滑らかな面)が整形される。それと共に、インペラ背面1bと相対する静止側ケーシング3のケーシング相対面3aに、前記インペラ外周1cからこのインペラ半径Rの略2/3の半径位置まで、前記インペラ背面1bに沿った滑面が整形される。更に、前記インペラ背面1bとケーシング相対面3aとの間に、略一定寸法Sを有する隙間4が形成されている。
更に、インペラ外周1cにおいて、インペラ外周1c及びケーシング相対面3aが、隙間4の寸法Sより更に狭い半径方向隙間4aを形成して構成されている。尚、前記ケーシング相対面3aとは、静止側ケーシング3の本体ブロック部のみならず、この本体ブロック部に固定された静止部品の相対面も含む。
ここで、静止側ケーシング3のケーシング相対面3aには、インペラ外周1cからこのインペラ半径Rの少なくとも1/2以上の半径まで、前記インペラ背面1bに沿った滑面が整形され、前記インペラ背面1bとケーシング相対面3aとが、略一定寸法Sを有する隙間4を形成して構成されているのが好ましい。
インペラ背面1bとそのインペラ背面1bに相対する静止側ケーシング3のケーシング相対面3aに、インペラ外周1cからこのインペラ半径Rの1/2未満の半径までしか、前記インペラ背面1bに沿った滑面が整形されておらず、残りのインペラ半径Rの1/2を越え回転軸6までの半径に相当するケーシング相対面が、図1に示す如くインペラ背面1bに沿った滑面が整形されていない凹凸状のケーシング相対面3bであったとすると、後述するラビリンスシール部7及びメカニカルシール部8を経て、凹凸状のケーシング相対面3bに移動して来たバッファガスが、インペラ背面1bに沿った滑面が整形されていないケーシング相対面3bの近傍において、滞留部を形成するためである。
そして、前記隙間4の略一定寸法Sを5〜12mmの範囲とすれば、インペラ背面1b及びケーシング相対面4a間の隙間4において、0.1m/s程度以上の高い流速のバッファガスの流れが得られる。その結果、インペラ背面においてバッファガスの流れをスムーズな層流とすると共に平均流速を増大させ得るので、インペラ背面に微粉末等の異物が滞留或いは堆積することを解消して、取り扱いガス中に同伴されインペラ背面1bの隙間4に侵入した前記異物がインペラ背面1b等に付着するのを防止できる。
更に、インペラ外周1cと静止側ケーシング3との半径方向隙間4aの微小寸法Sが、1〜4mmの範囲に形成されてなるので、インペラ外周部でのバッファガスによる平均流速を隙間4の平均流速より更に増加して、取り扱いガス中の微粒子等異物のインペラ背面1aへの侵入を低減すると共に、一旦、インペラ背面1aに侵入した前記異物の取り扱いガス主流への再排出を容易にする。
一方、インペラ1を回転させる回転軸6は、このインペラ背面1bにおいて軸受9により静止側ケーシング3に軸支されており、前記インペラ背面1bと軸受9間には、取り扱いガスを軸シールするためのラビリンスシール部7及びメカニカルシール部8が夫々複数設けられている。そして、静止側ケーシング3に穿設されたバッファガス供給孔10から、バッファガスが、ラビリンスシール部7及びメカニカルシール部8の各シール空間に供給可能な様に構成されている。
この様な本発明の関連技術に係るインペラ背面の異物付着防止構造の作用効果について、以下バッファガスの流れに従って前記図1を参照しながら説明する。
この遠心圧縮機の静止側ケーシング2,3内において、取り扱いガスをインペラ1の回転により圧縮しつつ、静止側ケーシング3に穿設されたバッファガス供給孔10から、前記取り扱いガスの圧縮圧より僅かに圧力の高いバッファガスを、インペラ背面1bのラビリンスシール部7及びメカニカルシール部8の各シール空間に連続的に供給する。
前記シール空間に供給されたバッファガスは、回転軸6に沿ってラビリンスシール部7及びメカニカルシール部8を介して、少しずつ低圧側のインペラ背面1b側に移動して行き、ケーシング相対面3bを経て、インペラ背面1b及びケーシング相対面3a間に形成された隙間4に至る。
そして、この隙間4では、バッファガスの流れに沿う様に湾曲した滑面が整形されていると共にその隙間4の略一定寸法Sが狭いため、バッファガスの平均流速が速くなり、インペラ背面1bのほぼ全体に亘って流れのスムーズなバッファガスの層流が形成される。その結果、取り扱いガス中に同伴され隙間4に侵入した微粉末等の異物が、インペラ背面1b及びケーシング相対面3aに滞留、付着或いは堆積することを防止できるのである。
更に、隙間4に沿って移動して来たバッファガスはインペラ外周1cに至り、隙間4の寸法Sより更に狭い半径方向隙間4aから、圧縮途中の取り扱いガス中に高速で排出されるので、気体流路5側から、インペラ背面1b及びケーシング相対面4a間に形成された隙間4内に微粉末が侵入することが不可能となる。
上述した通り、インペラ背面1bと相対する静止側ケーシング3のケーシング相対面3aには、図1に示す如く、インペラ半径Rの2/3の位置から回転軸6までの間に、インペラ背面1bと相対するが、上述の通りインペラ背面1bに沿った滑面が整形されていない、静止側ケーシング3のラビリンスシール部7近傍の軸シール部近傍相対面3bがあっても良い。
何故なら、静止側ケーシング3のケーシング相対面3aには、インペラ外周1cからこのインペラ半径Rの少なくとも1/2以上の半径まで、前記インペラ背面1bに沿った滑面が整形され、前記インペラ背面1bとケーシング相対面3aとが、略一定寸法Sを有する隙間4を形成して構成されているので、微粒子等の異物が、隙間4を経て軸シール部近傍相対面3bにまで至る可能性は殆ど無いためである。
次に、本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を、添付図2を参照しながら以下説明する。図2は本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造を示す縦断面図である。尚、本発明の実施の形態が上記関連技術と相違するところは、静止側ケーシングのケーシング相対面の構成に相違があり、その他は同構成であるから、上記関連技術と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について以下説明する。
即ち、本発明の関連技術に係る静止側ケーシング3のケーシング相対面3aが、インペラ外周1cからこのインペラ半径Rの2/3の半径位置まで、インペラ背面1bに沿った滑面が整形され、前記インペラ背面1bとケーシング相対面3aとが、略一定寸法Sを有する隙間4を形成して構成されていた。
それに対し、本発明の実施の形態に係る静止側ケーシング3のケーシング相対面は、図2に示す如く、静止側ケーシング3の内周側の回転軸6近傍において、インペラ背面1bに沿った滑面が整形されていないラビリンスシール部7外表面に相当するケーシング相対面3bに、バッファガス流路を整形するアダプター11が設けられている。その結果、インペラ背面1b全域に亘って、略一定寸法Sを有する隙間4が回転軸6表面まで延設され、低流速域が解消されるため、異物付着の可能性がより一層少なくなる。尚、前記バッファガス流路としては、外周側の隙間4と同様、略一定寸法Sを有するものが、バッファガスの流速を一定の高速流に保持し得る点から好ましい。
以上説明した通り、本発明に係る遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造によれば、前記インペラ背面が滑面に整形され、かつ、前記インペラ背面と相対する静止側ケーシングのケーシング相対面の少なくともインペラ外周側の部位が前記インペラ背面に沿った滑面に整形されると共に、前記インペラ背面と前記ケーシング相対面との間に、前記インペラ外周からこのインペラ半径の少なくとも1/2以上の半径まで、前記インペラ背面に沿って略一定寸法の隙間が形成されてなるので、インペラ背面全体に亘って前記バッファガスの流れをスムーズな層流とすると共に平均流速を増大させ得る結果、インペラ背面に微粉末等の異物が滞留、付着或いは堆積を解消して、取り扱いガス中に同伴されインペラ背面に侵入した前記異物がインペラ背面等に付着するのを防止できる。
R:インペラ半径,
S:略一定寸法,
:微小寸法,
1:インペラ, 1a:インペラ表面,
1b:インペラ背面, 1c:インペラ外周,
2,3:静止側ケーシング,
3a:ケーシング相対面,
3b:滑面が整形されていないケーシング相対面,
4:隙間, 4a:半径方向隙間,
5:気体流路, 6:回転軸,
7:ラビリンスシール部, 8:メカニカルシール部,
9:軸受, 10:バッファガス供給孔,
11:アダプター

Claims (2)

  1. 遠心圧縮機のインペラ背面にバッファガスを供給して、微粉末等の異物の付着を防止する遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造において、前記インペラ背面が滑面に整形されると共に、前記インペラ背面と当該インペラ背面に相対する静止側ケーシングの相対面との間に、前記インペラ外周からこのインペラ半径の少なくとも1/2以上の半径まで、前記インペラ背面に沿って略一定寸法の隙間が形成されており、前記インペラ背面と相対する、前記静止側ケーシングの軸シール部近傍相対面に、軸シール部近傍のバッファガス流路を整形するアダプターが設けられてなることを特徴とする遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造。
  2. 前記インペラ外周と前記静止側ケーシングとの隙間が1〜4mmの範囲に形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の遠心圧縮機インペラ背面の異物付着防止構造。
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